(57)【要約】【課題】  信号劣化のない、高速で、より低電圧駆動を可能とした有機導波路型光変調器を提供する。【解決手段】  干渉型の光変調器の例としてマッハツェンダ型を示し、受動部である光導波路１１はポリマーで形成され、能動部である両分岐光導波路１１ａ、１１ｂにＤＡＳＴを選択的に配置している。有機導波路型光変調器１０は、信号電源から高周波変調信号電圧を印加される変調部１２と、適切な光学バイアスを設定するためにＤＣ電圧を印加するバイアス印加部１３と、接地電極１７，１８を有している。２つの分岐導波路に配置されるＤＡＳＴの結晶軸は同一方向であり、バイアス電極１６と接地電極１７とで形成される電界は、ＤＡＳＴの結晶軸に対して反対方向となる。【選択図】    図１
2007025370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入射、出射が可能で、外部から制御された電場によって屈折率が変化し、光の位相を変化させる電気光学効果の媒体としての有機材料をコア層に持つ光導波路と、光の位相を変化させるための電極とを有し、複数の光導波路上を伝播する光を干渉させる干渉型の有機導波路型光変調器において、
前記複数の光導波路に対し、変調信号を印加する信号電極と、印加する信号成分をバイアスするバイアス電極と、接地電極とが各々設けられていることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の有機導波路型光変調器において、
前記電気光学効果を持つ有機材料は、４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート（ＤＡＳＴ）であることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項３】
請求項２に記載の有機導波路型光変調器において、
干渉する２つの分岐導波路を有し、該２つの分岐導波路に配置される前記ＤＡＳＴの結晶軸は同一方向であり、前記バイアス電極と前記接地電極とで形成される電界は、前記ＤＡＳＴの結晶軸に対して反対方向となることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項４】
請求項３に記載の有機導波路型光変調器において、
前記バイアス電極として第1及び第２のバイアス電極を有し、これらのバイアス電極に絶対値は等しく符号が反対の電圧を印加することを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の有機導波路型光変調器において、
前記バイアス電極と前記接地電極が、前記２つの分岐導波路の中央線に対して略対称に配置されていることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項６】
請求項５に記載の有機導波路型光変調器において、
前記信号電極とこれに対応する接地電極が、前記２つの分岐導波路の中央線に対して略対称に配置されていることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項７】
請求項２乃至６のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器において、
前記光導波路の伝播方向は、前記ＤＡＳＴの結晶のｂ軸方向で、且つ前記信号電極及び前記バイアス電極による電圧印加は、前記ＤＡＳＴの結晶のa軸方向であることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項８】
請求項２乃至７のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器において、
前記バイアス電極と前記コア層に配置された前記ＤＡＳＴが略同一平面に配置されていることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項９】
請求項２に記載の有機導波路型光変調器において、
干渉する２つの分岐導波路を有し、該２つの分岐導波路に配置される前記ＤＡＳＴの結晶軸は同一方向であり、前記信号電極と前記接地電極とで形成される電界は、前記ＤＡＳＴの結晶軸に対して反対方向となり、プッシュプル駆動することを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器において、
前記電気光学効果を持つ有機材料の屈折率を制御し、前記信号電極は、進行波型電極であることを特徴とする有機導波路型光変調器。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器を光出力部の構成要素とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型光変調器に関し、詳細には、有機材料による電気光学効果を応用し、特に低電圧で駆動する有機導波路型光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットに代表される情報化社会の急速な進展によって、より多くの情報をやり取りするために、大容量高速の光通信の要求は高まる一方である。そのため、幹線系のネットワークばかりでなく、ＬＡＮ、ネットワーク端末や電子機器間、ボード間、ＬＳＩチップ間にも光を用いた情報伝達が提案されている。
この光インタコネクションにおいて、データ信号を電気信号から光信号に変調するためのデバイスとして、電気光学効果を用いた導波路型光変調器がある。電気光学効果は、光学媒体に電界を印加した場合、この媒体の屈折率が変化する現象であり、電界に比例する屈折率変化であるポッケルス効果と電界の２乗に比例するカー効果とがある。
【０００３】
従来の基幹系に用いられている変調器の例としては、無機強誘電性結晶ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）を用いたマッハツェンダ型の光強度変調器がある。光導波路部分は、適当な方位で切り出されたＬＮ結晶に、Ｔｉイオンなどを拡散させることで、屈折率の大きな領域をコア層とし、Ｔｉの拡散のないＬＮ結晶やシリコン酸化膜のバッファ層をクラッド層としている。
また、外部からの電場は、ＡｕやＣｕなどの金属からなる進行波電極で、平面ストリップラインの変調用電極に印加される。入射光は、入り口側のＹ分岐で２つのポートに分岐され、ポートを伝搬する光は、電極に印加されたマイクロ波と相互作用して位相変化を起こす。この位相変化を生じた光は、他方を伝搬してきた光と出口側のＹ分岐で重ね合わされ、合成波は位相変化に起因して強度変化を引き起こし、電気信号に対応した光信号に変換される。
【０００４】
しかし、機器間やボード間、ＬＳＩチップ間を結ぶ光インタコネクションにおいては、そこに搭載されているＬＳＩチップの電源電圧は、低電圧化の一途をたどっており、搭載されているＬＳＩにノイズを与えないことや低消費電力のために、光変調器にも低電圧駆動が求められている。さらに、当然のことながら、ＬＤの直接駆動ではできないような、４０ＧＨｚ、８０ＧＨｚと高速化の要求があり、従来のＬＮを用いた光変調器では、誘電率ε＝２８と大きいために、より高速の電気信号を印加できるような進行波形の電極にした場合でも、印加されたマイクロ波の屈折率と光の屈折率（ｎｏ＝２．２８６，ｎｅ＝２．２００）にずれがあることから、材料面での高速化に限界がある。
また、駆動電圧は、電気光学定数と電極構造によって規定され、低電圧駆動のためには、ＬＮの電気光学定数ｒ３３＝３０．８（波長６３３ｎｍ）の、より電気光学定数の大きな材料が求められている。さらに、基幹系で用いられているように、ＬＮの光変調器は、ディスクリートデバイスであり、より集積化に適したデバイスも求められている。
【０００５】
そこで、有機結晶や有機高分子材料は、誘電率が無機材料に比べて小さく、薄膜化が可能で、大きな電気光学定数を持つため、低電圧で高速な光変調器として期待されている。また、有機材料であるため、低温プロセスが可能で、光導波路との集積化も可能である。
有機高分子材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）やアモルファスポリカーボネート（ＡＰＣ）などの高分子中に電気光学効果を持つ二次非線形光学材料を溶解したもの、または、二次非線形光学材料を直接またはスペーサー原子団を介して、高分子鎖に結合したものがあり、これら電気光学効果を持つ有機高分子材料をコア層に用いた光変調器が知られている。
その一例として、ＰＭＭＡにアゾ色素をドープしたもの（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，  Ｂ４（１９８７）９６８）がある。
【０００６】
これらの有機高分子材料をガラス転移点以上の温度に加熱し、コロナ帯電などのポーリング処理によって配向を固定化し、電気光学効果を発現させるが、有機高分子材料のガラス転移点は低く、分極が温度や経時変化によって緩和してしまうため、光変調器としての信頼性が劣るという問題がある。
そのため、ＰＭＭＡに対してよりガラス転移点が高いＡＰＣによる耐熱性改善などが検討されているが（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７８（２００１）３１３６）、十分ではなく、依然として耐熱性、経時変化が課題となっている。
一方、有機結晶に関して、図５に構造式を示す４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート（ＤＡＳＴ）が、東北大学中西研究室において開発され、極めて大きな非線形光学定数ｄ１１＝１０１０ｐｍ／Ｖ（λ＝１．３μｍ）と電気光学定数ｒ１１＝７５ｐｍ／Ｖ（λ＝８２０ｎｍ）を有し、有機結晶特有の低い誘電率（ε１＝５．２）であるために、低電圧、高速の光変調や検波、ミリ波（または、サブミリ波）発生など関心を集めている。
【０００７】
有機結晶であるため、有機高分子のように分極処理を必要とせず、分極緩和のような経時変化はなく安定である。実際に改良シェア法によってＤＡＳＴ結晶の薄膜を形成し、光変調の原理確認を行った報告（Ｍ．Ｔｈａｋｕｒ他、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７４（１９９９）６３５）があるが、面型の光変調器であり、作用長が短いため、変調深さが小さいなどの課題がある。
そこで本出願人は、特開２００３−２０２５３３号において、ＤＡＳＴを用いた導波路型光変調器を提案している。この発明においては、下層クラッド部にコア溝を形成し、そこに、電気光学効果を示す有機結晶ＤＡＳＴを埋め込み、ＤＡＳＴの特性を劣化しない溶媒を用いて、化学的機械研磨し、溝部以外のＤＡＳＴを除去、コア部分にＤＡＳＴを形成することによって、導波路型光変調器を実現している。
【０００８】
図６に、特開平５−１４２５０４号公報に開示された従来の光変調器を示す。Ｚ軸カットＬＮ基板１００にＴｉを熱拡散させて光導波路１０１を形成し、この光導波路１０１に各電極を形成して光変調器を構成している。
特開平５−１４２５０４号公報に開示された従来の光変調器を示す。Ｚ軸カットＬＮ基板１００にＴｉを熱拡散させて光導波路１０１を形成し、この光導波路１０１に各電極を形成して光変調器を構成している。一対の分岐導波路１０１ａ、１０１ｂのうち、一方の分岐導波路１０１ａに信号電極１０２とバイアス電極１０３を、他方の分岐導波路１０１ｂに信号電極１０２及びバイアス電極１０３に対応した接地電極１０４を形成している。
図７に、特開２００３−２３３０４２号公報に開示された従来の光変調器を示す。Ｚ軸カットされた電気光学効果を有する基板１００に、干渉型光導波路１０１を形成し、信号電極１０２とバイアス電極１０３とを備え、バイアス電極１０３によって、絶対値が同じで且つ符号が逆となる電圧を印加されるように構成することを規定し、有効なバイアス電界を与え、印加される駆動電圧を低減させ、通信システムの運用コストの低減に寄与できるとしている。
具体的な電極としては、櫛状のバイアス電極１０３を光導波路１０１上に形成し、基板１００に垂直方向のバイアス電極を形成している。
図７において、符号１０４は接地電極を、１０５は第１バイアス電極を、１０６は第２バイアス電極を、１０７は第１導波路上電極を、１０８は第１電位供給用電極を、１０９は第２導波路上電極を、１１０は第２電位供給用電極を、１１１は電源を、１１２はＲＦ信号発生源をそれぞれ示す。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１４２５０４号公報
【特許文献２】特開２００３−２３３０４２号公報
【特許文献３】特開２００３−２０２５３３号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，  Ｂ４（１９８７）９６８
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７８（２００１）３１３６
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７４（１９９９）６３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、このような干渉型の光変調器においては、光学バイアスを設定するためのＤＣバイアスを印加する必要があるが、特に有機導波路型光変調器のように、４０ＧＨｚを超えるような高速の光変調に対応するに従い、高周波信号を劣化させずに、高周波変調信号とＤＣバイアスを重畳して印加するのが困難であり、また、コストの高い回路またはデバイスが必要になってくるという問題があった。
特許文献１に記載構成では、互いに絶縁された信号電極とバイアス電極に分けているので、コンデンサを介することなく光変調器を駆動できるが、バイアス電極を用いたＤＣドリフト制御について詳細に記述はあるが、有効な電界の与え方については記述されていない。
特許文献２に記載構成では、複雑な電極構造が同一平面内にあるため、電極間のショートが発生して歩留まりの低下が懸念され、垂直方向の電界を有効に形成するのは困難である。一方、基板に垂直方向の電界を有効に光導波路に印加する、インピーダンスマッチングを取るために、ＬＮ基板を加工し、光導波路近傍を凸となるリッジ状に形成し、導波路上電極に対して電位供給用電極が同一平面上にないように基板のＬＮを加工することもあるが、低電圧化、高速化には課題がある。
【００１１】
本発明は、信号劣化のない、高速で、より低電圧駆動を可能とした有機導波路型光変調器の提供、その目的とする。
また、本発明は、低電圧駆動が可能で、データ伝送容量が大きい光通信システムの提供、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、光の入射、出射が可能で、外部から制御された電場によって屈折率が変化し、光の位相を変化させる電気光学効果の媒体としての有機材料をコア層に持つ光導波路と、光の位相を変化させるための電極とを有し、複数の光導波路上を伝播する光を干渉させる干渉型の有機導波路型光変調器において、前記複数の光導波路に対し、変調信号を印加する信号電極と、印加する信号成分をバイアスするバイアス電極と、接地電極とが各々設けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の有機導波路型光変調器において、前記電気光学効果を持つ有機材料は、４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート（ＤＡＳＴ）であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の有機導波路型光変調器において、干渉する２つの分岐導波路を有し、該２つの分岐導波路に配置される前記ＤＡＳＴの結晶軸は同一方向であり、前記バイアス電極と前記接地電極とで形成される電界は、前記ＤＡＳＴの結晶軸に対して反対方向となることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の有機導波路型光変調器において、前記バイアス電極として第1及び第２のバイアス電極を有し、これらのバイアス電極に絶対値は等しく符号が反対の電圧を印加することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、請求項３又は４に記載の有機導波路型光変調器において、前記バイアス電極と前記接地電極が、前記２つの分岐導波路の中央線に対して略対称に配置されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の有機導波路型光変調器において、前記信号電極とこれに対応する接地電極が、前記２つの分岐導波路の中央線に対して略対称に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、請求項２乃至６のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器において、前記光導波路の伝播方向は、前記ＤＡＳＴの結晶のｂ軸方向で、且つ前記信号電極及び前記バイアス電極による電圧印加は、前記ＤＡＳＴの結晶のa軸方向であることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に記載の発明では、請求項２乃至７のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器において、前記バイアス電極と前記コア層に配置された前記ＤＡＳＴが略同一平面に配置されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項９に記載の発明では、請求項２に記載の有機導波路型光変調器において、干渉する２つの分岐導波路を有し、該２つの分岐導波路に配置される前記ＤＡＳＴの結晶軸は同一方向であり、前記信号電極と前記接地電極とで形成される電界は、前記ＤＡＳＴの結晶軸に対して反対方向となり、プッシュプル駆動することを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に記載の発明では、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器において、前記電気光学効果を持つ有機材料の屈折率を制御し、前記信号電極は、進行波型電極であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１１に記載の発明では、光通信システムにおいて、請求項１乃至１０のうちの何れかに記載の有機導波路型光変調器を光出力部の構成要素とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に記載の発明によれば、ＤＣバイアスと高周波交流信号を重畳する回路またはバイアスＴのようなデバイスが不要で、高周波信号に劣化がないため、帯域の制限がなく、高速で低電圧駆動、且つ信頼性が高い有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項２に記載の発明によれば、より高速で低電圧駆動、且つ信頼性の高い有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項３に記載の発明によれば、単一電源で、２倍の位相差を生じることができ、低電圧で光学バイアスを設定できるため、高速化を維持したまま、駆動電圧の低い有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項４に記載の発明によれば、より低電圧での光学バイアスを設定することができ、高速化を維持したまま、低電圧駆動の有機導波路型光変調器を提供することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、金属電極と有機材料の熱膨張によるひずみを対称にでき、動作点シフトが発生しにくく、低電圧駆動で高速な光変調を維持したまま、より信頼性の高い有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項６に記載の発明によれば、２つの分岐導波路に高周波信号が印加される部分における電流による発熱や放熱が等しく、２つの分岐導波路において温度差が生じないため、動作点シフトが発生せず、低電圧駆動で高速な光変調を維持したまま、より信頼性の高い有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項７に記載の発明によれば、ＤＡＳＴの最も大きな電気光学定数を利用することができるため、高速化を維持したまま、低電圧駆動の有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項８に記載の発明によれば、有効にバイアス電圧を印加することができ、より低電圧での光学バイアスを設定することができ、高速化を維持したまま、低電圧駆動の有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項９に記載の発明によれば、高速化を維持したまま、より低電圧駆動の有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、高速の信号電圧を印加することができるため、より高速の有機導波路型光変調器を提供することができる。
請求項１１に記載の発明によれば、低電圧駆動が可能で、データ伝送容量が大きい光通信システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。
まず、具体的構成を述べる前に、ＤＡＳＴの特性、使用態様についての考察を述べる。
ＤＡＳＴのバルク結晶は、ａ、ｂ軸方向に大きく、ｃ軸方向に小さい菱形平板状の結晶形をとる。また、ＤＡＳＴ薄膜結晶の場合も、膜面内にａ、ｂ軸があり、ｃ軸は、膜に垂直方向となる。このような幾何学的な構造を持つＤＡＳＴは、基板に平行面内にａ、ｂ軸を形成しやすい。
ＤＡＳＴの最も大きな電気光学定数は、ｒ１１であるため、光をｂ軸伝播させ、ａ軸方向に電界が印加するのが好ましい。従って、バイアス電極と接地電極で形成する電界（及び信号電極と接地電極で形成する電界）は基板に水平方向となり、以下に示す簡単な構造で、各分岐導波路に逆向きの電界を印加することができる。また、基板に電極埋め込み用溝を形成することで、ＤＡＳＴ光導波路と略同一面内にバイアス電極と接地電極を形成することもでき、より有効な電界を形成することも可能である。
【００２６】
従来のＬＮのＸカット基板でも、このように、光導波路を挟む形で電極を形成することができるが、誘電率が大きいため、マイクロ波の実効屈折率ｎｍが光の屈折率ｎ０に対して大きくなり、マイクロ波と光波の速度不整合により帯域制限を受け、高速化が課題となっている。
それに対して、ＤＡＳＴの誘電率はε１＝５．２と小さく、また、電極周囲のクラッド層を形成する材料も、誘電率が小さいポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ、アクリル酸エステル系樹脂、シリコン樹脂、シアヌレート樹脂などの樹脂からなるものやＳｉＯ２など誘電率の小さな無機膜を用いることで、マイクロ波と光波の速度不整合により帯域制限を受ることなく、電界閉じ込めの大きな進行波型電極を形成できる。
【００２７】
一方、ＤＡＳＴは、波長７５０ｎｍ〜１６００ｎｍ間での吸収係数は０．５ｃｍ−１程度あり、単に光を分波、合波する部分にもＤＡＳＴを使うのは伝送損失が大きくなり、好ましくない。そこで、電気光学効果による屈折率変化に必要な部分のみをＤＡＳＴで形成し、その他の部分はより光損失の少ない光導波路で光変調器を形成することで、低損失な光変調器を提供できる。
この低損失な光導波路として、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ、アクリル酸エステル系樹脂、シリコン樹脂、シアヌレート樹脂などの樹脂からなるものやＳｉＯ２やＳｉ、ＳｉＮなどの無機膜を用いた光導波路、更には周期的な微細構造を形成したフォトニック結晶を用いた光導波路でもよい。
また、ＬＮのように、光導波路全てが電界効果を持つ場合、電極の配置によっては予期しない部分でも、光導波路に電界が印加され位相変化を生じてしまうのに対して、ＤＡＳＴを特定部分にのみ配置することによって、位相変化の制御が容易となる。
【００２８】
また、「バイアス電極とコア層に配置されたＤＡＳＴが略同一平面にある」とは、基板に平行に横方向に電圧を印加するような電極配置において、ＤＡＳＴが配置された分岐光導波路で規定される面内に、バイアス電極及び接地電極、または、第１バイアス電極と第２バイアス電極が形成されていることを示す。
分岐光導波路は、数〜１０数μｍ程度の厚さを持っており、正確には面ではないが、この２つの分岐光導波路で規定される平面と、バイアス電極及び接地電極、または、第１バイアス電極と第２バイアス電極が交差する状態を指し示している。
したがって、バイアス電極及び接地電極、または、第１バイアス電極と第２バイアス電極の厚さが、この光導波路の厚みによって規定されるものではなく、インピーダンスマッチングを取るため、分岐光導波路の上面と下面とで規定される２つの平面とバイアス電極及び接地電極、または、第１バイアス電極と第２バイアス電極が交差しておれば、その上方または下方により厚く形成されていてもかまわない。
【００２９】
このような構成にすることで、バイアス電極に形成される大きな電界がＤＡＳＴに印加されるため、より低電圧での光学バイアス設定が可能となる。
さらに、バイアス電極と接地電極が、２つの分岐導波路の中央線に対して、面積及び形状が対称に配置されていることによって、両分岐光導波路のＤＡＳＴによって位相変化が生じる部分において、金属電極と有機材料の熱膨張によるひずみを対称にでき、動作点シフトが発生しにくい。ここでいう「２つの分岐導波路の中央線に対して対称」とは、入射及び出射側の光導波路に平行で、且つ２つの分岐光導波路の対称中心となっている中心線での断面に対して、バイアス電極と接地電極が、左右対称に配置されており、その形状及び面積が等しく形成されている状態を示す。
【００３０】
同様に、進行波型電極は、高周波パルス信号を入力する進行波信号電極と接地電極から構成され、進行波信号電極と接地電極が、２つの分岐導波路に対して、面積及び形状が対称に配置されていることによって、両分岐光導波路のＤＡＳＴによって位相変化が生じる部分において、高周波信号電流によって生じる熱が等しく、温度差が発生しないため、温度ドリフトと呼ばれる動作点シフトが発生しない。
特許文献１、２に記載された従来例では、２つの分岐導波路の中央線Ａ−Ａ’に対して、バイアス電極と接地電極、または信号電極と接地電極のいずれかが非対称であり、動作点シフトを生じやすくなっている。
【００３１】
以下、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて具体的に説明する。
ここでは、干渉型の光変調器の例として、マッハツェンダ型を示し、受動部である光導波路１１はポリマーで形成され、外部の電界により屈折率変化を伴う能動部である両分岐光導波路１１ａ、１１ｂにＤＡＳＴを選択的に配置している。
また、その光路長は等しいものとした。
有機導波路型光変調器１０は、信号電源から高周波変調信号電圧を印加される変調部１２と、適切な光学バイアスを設定するためにＤＣ電圧を印加するバイアス印加部１３とからなっている。
半導体レーザからのＣＷ光が入射側の光導波路１１から入り、Ｙ分岐で２つの分岐光導波路１１ａ、１１ｂに分けられ、そこを通過する際に、信号電極１４に印加された高周波変調信号電圧により、分岐導波路１１ａ、１１ｂに選択的に配置された電気光学効果媒体である有機結晶ＤＡＳＴによって、位相差が生じる。
【００３２】
次いで、光学バイアスに相当したＤＣ電圧を印加され、これら位相変化を生じた光は、他方を伝搬してきた光と出口側のＹ分岐で重ね合わされ、合成波は位相変化に起因して強度変化を引き起こし、電気信号に対応した光信号に変換される。
この例では、光変調器１０の後段にバイアス印加部が形成されているが、逆でもかまわない。
ＤＡＳＴのバルク結晶は、ａ、ｂ軸方向に大きく、ｃ軸方向に小さい菱形平板状の結晶形をとる。また、非特許文献３に記載されているように、ＤＡＳＴ薄膜結晶の場合も、膜面内にａ、ｂ軸があり、ｃ軸は、膜に垂直方向となる。
このような幾何学的な構造をもつＤＡＳＴは、基板１５に平行面内にａ、ｂ軸を形成しやすい。ＤＡＳＴの最も大きな電気光学定数ｒ１１を使うため、光はｂ軸伝播させ、ａ軸方向に電界が印加され、入射光の偏波面もａ軸に平行となるように入射するのがよい。
このため、バイアス電極１６と接地電極１７、及び進行波型信号電極１４と接地電極１８によって各々形成される電界も、基板１５と平行面になるように、ＤＡＳＴ光導波路１１をバイアス電極１６と接地電極１７、及び信号電極１４と接地電極１８で挟む形（図１）のような配置とするのがよい。
【００３３】
さらに、分岐光導波路１１ａ、１１ｂの中央に、バイアス電極１６を配置し、分岐光導波路１１ａ、１１ｂの外側に接地電極１７、１８を配置することで、各々ＤＡＳＴに逆向きのＤＣ電界を印加することができ、２倍の位相変化を生じることができるため、より低電圧で、光学バイアスを設定できる。
また、２つの分岐導波路１１ａ、１１ｂの中央線Ａ−Ａ’に対して、バイアス電極１６及び接地電極１７が対称に配置されている。
一方、同様に、変調部１２についても、分岐光導波路中央に進行波信号電極１４を配置し、分岐光導波路１１ａ、１１ｂの外側に接地電極１８を配置することで、各々ＤＡＳＴに逆向きの電界を印加することができ、プッシュプル動作により２倍の位相変化を生じさせることができるため、より低電圧での駆動を可能にしている。
【００３４】
信号電極１４は５０Ωの終端抵抗を付与した進行波型電極とし、高速な光変調に対応できる電極構造としている。また、信号電極１４及び接地電極１８について、２つの分岐導波路１１ａ、１１ｂの中央線Ａ−Ａ’に対して、対称に配置されている。
バイアス印加部１３は、温度変化やＤＣドリフトに対応するため、光強度をモニターし、フィードバック回路により、ＤＣ電圧を可変としてもよい。
基板１５として、ポリイミド基板を用い、その基板１５上に、光導波路１１のクラッド層として働くポリイミド樹脂をスピンコートする。さらに、マッハツェンダの導波路パターンマスクを用いて、フォトリソグラフィーと酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、コア溝を形成した。
次いで、コアとなる屈折率の大きなポリイミド樹脂を溝部に形成し、低損失な光導波路を形成する。更にリソグラフィーとエッチングを用いて、ＤＡＳＴを選択的に形成する分岐光導波路の選択部分だけ、コアとなるポリイミドを除去し、等しい長さのコア溝を再度形成する。
ここに、メタノールを溶媒に用いた徐冷法によって、ＤＡＳＴを結晶成長させた。結晶方位については種結晶によって、導波路方向をｂ軸、同じく基板１５に平行な面内にａ軸、及び基板１５に垂直方向がｃ軸となるように、コア溝を埋め込んだ形でＤＡＳＴ単結晶が形成された。このときコア溝以外にも、結晶成長したＤＡＳＴが存在する。そこで、研磨により不要部分のＤＡＳＴの除去を行う。
【００３５】
研磨は、発泡ウレタンパッドＳｕｐｒｅｍｅ  ＲＮ−Ｈ（ロデール製）を用いて、シリカの研磨粒子を用いて研磨を行い、コア溝以外のＤＡＳＴを除去し、ＤＡＳＴを特定のコア溝にのみ残すことができる。分岐光導波路に選択配置したＤＡＳＴの長さは１５ｍｍ、厚さ６μｍとした。
ここでは、種結晶を用いた徐冷法でＤＡＳＴ層を形成したが、非特許文献に記載されているような改良シェア法によってＤＡＳＴ薄膜を形成してもよい。
この上層に下層のクラッド層と同じポリイミドをスピンコートして形成し、２μｍ厚さの上部クラッド層とした。
次いで、メッキ法により、Ａｕ電極を厚さ８μｍ形成し、バイアス電極１６及び接地電極１７、１８、信号電極１４を形成した。信号電極１４及び接地電極１７、１８には、終端に５０Ωの終端抵抗を取り付け、進行波型の信号電極とした。
【００３６】
この時、図１に示すように、バイアス電極１６及び信号電極１４は、分岐導波路１１ａ、１１ｂの中央に形成し、接地電極１７、１８は分岐導波路１１ａ、１１ｂの外側に形成した。
このように、変調部１２及びバイアス印加部１３とも、ＤＡＳＴに逆向きの電界を印加することができ、２倍の位相変化を生じさせることができるため、より低電圧での光学バイアス印加及び変調を可能にしている。
また、バイアス電極１６と接地電極１７は２つの分岐導波路１１ａ、１１ｂの中央線Ａ−Ａ’に対して対称に配置しており、金属電極と有機材料の熱膨張によるひずみを対称にできる。さらに信号電極１４と接地電極１８も、２つの分岐導波路１１ａ、１１ｂの中央線Ａ−Ａ’に対して対称に配置されているため、両分岐光導波路１１ａ、１１ｂのＤＡＳＴによって位相変化が生じる部分において、高周波信号電流によって生じる熱が等しく、温度差が発生しないため、温度ドリフトと呼ばれる動作点シフトが発生しない。
【００３７】
このようにして、マッハツェンダ型の有機導波路型光変調器１０を作製した。波長１．３μｍのレーザ光を入射しながら、同軸ケーブルを介して電極間に変調信号を入力したところ、光学バイアス設定として、＋１Ｖと低いＤＣ電圧を供給し、変調電圧として１．２Ｖと低い駆動電圧で、光変調器を駆動できた。
進行波型電極を用いているため４０ＧＨｚと高速の光強度変調を提供できる。また、変調部１２はプッシュプル動作をしているため、チャープの無い光変調が実現できる。
図１において、符号１９は信号電源を、２０はバイアス電源を示している。
【００３８】
図２に第２の実施形態を示す。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
本実施形態では、第１の実施形態に比べ、バイアス印加部１３のバイアス電極に、別個のバイアス電源が接続され、絶対値が等しく且つ符号が反対の電位とするようになっている点が異なっている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
分岐光導波路中央に、第１バイアス電極２１を配置し、第１バイアス電極２１に対向して分岐光導波路１１ａ、１１ｂの外側に第２バイアス電極２２を配置している。図２において、符号２３は第１のバイアス電源を、２４は第２のバイアス電源を示している。
【００３９】
第１バイアス電極２１にＶ＝Ｖ０／２の、第２バイアス電極２２にＶ＝−Ｖ０／２の電位を与えることで、第１の実施形態同様Ｖ０の電位差を各々分岐導波路１１ａ、１１ｂに配置したＤＡＳＴに逆向きのＤＣ電界を印加することができ、２倍の位相変化を生じることができるため、第１の実施形態の１／２の電圧である±０．５Ｖと低いＤＣ電圧で、光学バイアスを設定できる。
本実施形態においても、２つの分岐導波路１１ａ、１１ｂの中央線Ａ−Ａ’に対して、バイアス電極２１、２２が対称に、信号電極１４及び接地電極１８も対称に配置されている。
ここでは、第１バイアス電極２１にＶ＝Ｖ０／２の、第２バイアス電極２２にＶ＝−Ｖ０／２の電位を与えたが、第１バイアス電極２１にＶ＝−Ｖ０／２の、第２バイアス電極２２にＶ＝Ｖ０／２の電位を与えてもよい。
【００４０】
図３に第３の実施形態を示す。
図３（ａ）は、有機導波路型光変調器１０の上面図を、図３（ｂ）は、バイアス印加部１３のＢ−Ｂ’線での断面図を示している。
第１の実施形態では、光導波路１１のクラッド上にバイアス電極１６及び接地電極１７が形成されていたが、本実施形態では、バイアス電極１６と接地電極１７はＤＡＳＴが配置された分岐導波路１１ａ、１１ｂと略同一平面にあることを特徴としている。
図３（ｂ）に示すように、２つの分岐光導波路下面で規定される平面に対して、バイアス電極１６及び接地電極１７がより深く、形成されている。図３（ａ）において、ハッチングで表示している部分が、バイアス電極１６と信号電極１４の「深く形成されている部分」を示している。
基板１５として、熱酸化膜を形成したＳｉ基板を用い、クラッド層２５としてエポキシ樹脂を、また、ＤＡＳＴ以外の部分のコア層として、クラッド層２５より屈折率の大きなエポキシ樹脂を用いた。
【００４１】
公知技術によるリソグラフィーとエッチングによって、光導波路１１を形成し、次いで、ＤＡＳＴを選択的に配置するコア溝を形成した。
ここに、第１の実施形態と同様、メタノールを溶媒に用いた徐冷法によって、ＤＡＳＴを結晶成長させた。結晶方位については、種結晶によって、導波路方向をｂ軸、同じく基板に平行な面内にａ軸となるように、コア溝を埋め込んだ形でＤＡＳＴ単結晶が形成された。このときコア溝以外のＤＡＳＴは、研磨により除去し、ＤＡＳＴを特定のコア溝にのみ残すことができる。
ここで、分岐光導波路に選択配置したＤＡＳＴの長さは１２ｍｍ、厚さ６μｍとした。下部クラッド層と同じエポキシ樹脂を２μｍ厚さに上部クラッド層として形成した。
【００４２】
次いで、ＤＡＳＴが配置された２つの分岐光導波路１１ａ、１１ｂの両側に、略同一平面となるようにバイアス電極１６と接地電極１７を形成する。このとき、進行波形信号電極１４と接地電極１８も同時に形成する。
まず、図３（ａ）においてハッチングで表示しているバイアス電極１６の部分及び接地電極１７、信号電極１４及び接地電極１８に相当する溝を公知技術によるリソグラフィーとエッチングによって形成する。
溝深さは、分岐光導波路１１ａ、１１ｂとバイアス電極１６及び接地電極１７とが略同一平面になるように、ＤＡＳＴ光導波路の底部から２μｍほど深く形成した。蒸着法により電極溝にＡｕを埋め込み、ダマシン法にて不要なＡｕを除去して、厚さ１０μｍのバイアス電極１６と接地電極１７及び進行波形信号電極１４、接地電極１８の一部を形成した。
「バイアス電極とコア層に配置されたＤＡＳＴが略同一平面にある」とは、基板１５に平行に横方向に電圧を印加するような電極配置において、ＤＡＳＴが配置された分岐光導波路で規定される面内（図３（ｂ）において一点鎖線で示す略同一平面内）に、バイアス電極１６及び接地電極１７が形成されていることを指す。
【００４３】
次いで、図３（ａ）において、分岐光導波路１１ａ、１１ｂと交わる部分の電極、バイアス電極１６の光出射側Ｙ分岐と交わるＴ字状の引き出し部、及び信号電極１４のＴ字状の引き出し部のＡｕ電極を上部クラッド層上に形成し、信号電極１４には終端に５０Ωの終端抵抗を取り付け、進行波型電極とした。
このようにして、マッハツェンダ型の有機導波路型光変調器１０Ｂを作製した。このような、バイアス電極１６と接地電極１７、信号電極１４と接地電極１８は、２つの分岐光導波路１１ａ、１１ｂの中央線Ａ−Ａ’に対して対称に配置されている。
波長１．３μｍのレーザ光を入射しながら、同軸ケーブルを介して電極間に変調信号を入力したところ、バイアス電極１６とＤＡＳＴが略同一平面にあるため、より有効に電界を印加することができ、＋０．８Ｖと低いＤＣ電圧で、光学バイアスを設定でき、低い駆動電圧で光変調器を駆動でき、進行波型電極を用いているため４０ＧＨｚと高速の光強度変調を行うことができる。
【００４４】
図４に第４の実施形態を示す。
上述した有機導波路型光変調器を用いた光通信システムの一例である。この例は、ガラスエポキシでできたボード上に、複数のＩＣ間の光インターコネクションを実現したものである。
光インターコネクションは、高速の信号線に用いており、低速の信号線は図示していないが従来通り電気配線を用いている。
光通信システム３０は、ＩＣからの電気信号を光信号に変換して出力するための光出力部３１、その光信号を伝送するための光伝送路３２及び伝送された光信号を電気信号に変換するための光入力部３３からなる。
ここで、光出力部３１は、半導体レーザからなる光源３４、その光源３４から有機導波路型光変調器１０へＣＷ光を導く光導波路３５、ＩＣからの電気信号をシリアル処理する電気回路と有機導波路型光変調器１０を駆動するためのドライバからなる電気信号処理部３６、電気信号処理部３６からの電気信号を光信号に変換する有機導波路型光変調器１０及びそれらの間の電気信号を伝える電気配線３９とからなっている。有機導波路型光変調器１０は、第１の実施形態に示したものと同じ有機導波路型光変調器を用いている。
【００４５】
一方、光入力部３３は、伝送された信号を受光するための受光素子３７と、必要に応じて受光素子３７からの信号を増幅するためのアンプ及び受光素子３７で受けた信号を再度もとのビットに変換するための電気回路からなる電気信号処理部３８及びそれらの間の電気信号を伝える電気配線３９からなっている。
光伝送路として、シングルモードの光ファイバを用いた。ここでは、光伝送路として、シングルモードの石英光ファイバを用いたが、比較的低速での短距離の伝送など、用途に応じて、マルチモードの光ファイバやＰＯＦ、また、ボード内光通信においては、石英や樹脂からなる光導波路を適宜用いることができる。
なお本実施形態では、各々のボード４０、４１上に光出力、光入力の二つを備えて、双方向の光伝送を可能にした、好ましい光通信システム例ではあるが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
【００４６】
少なくとも有機導波路型光変調器１０を用いた光出力部を持っており、１対の光出力部と光入力部しかない一方向の伝送しか行わない光通信システムでもかまわない。また、この例では、異なるボード間の光通信システムを示しているが、ＩＣが同一ボード内にあるような場合でもよい。
また、ここでは、有機導波路型光変調器は１つしか形成していないが、必要に応じて複数個をアレイ化しより広帯域な通信を可能にしてもよい。
光出力部３１に、電気光学定数がきわめて大きく、且つ誘電率が小さく、有機結晶であるために熱的に安定な４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート（ＤＡＳＴ）を電気光学効果の媒体として用いているため高速で低電圧駆動、且つ信頼性が高く、変調信号を印加する信号電極と、印加する信号成分をバイアスするバイアス電極を分離し、バイアス電極と接地電極とで形成される電界は、干渉する２つの分岐導波路に配置されたＤＡＳＴ結晶の結晶軸に対して反対方向に印加することによって、低バイアス電圧で光学バイアスを設定できる有機導波路型光変調器を用いることによって、低電圧駆動が可能で、データ伝送容量が大きい光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態における有機導波路型光変調器の概要平面図である。
【図２】第２の実施形態における有機導波路型光変調器の概要平面図である。
【図３】第２の実施形態における有機導波路型光変調器を示す図で、（ａ）は概要平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図４】第４の実施形態における光通信システムのブロック図である。
【図５】ＤＡＳＴの構造式を示す図である。
【図６】従来の光変調器の概要平面図である。
【図７】従来の他の光変調器の概要平面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  有機導波路型光変調器
１１  光導波路
１１ａ、１１ｂ  分岐導波路
１４  信号電極
１６  バイアス電極
１７、１８  接地電極
２１  第1のバイアス電極
２２  第２のバイアス電極
【図１】
2007025370.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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